《Materials Science and Engineering: A》：Anomalous Softening and Severe Aging Deterioration in Cryorolled Cu-Ni-Si Alloys at Extreme Strains Driven by Twin-Induced DDRX
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摘要由于具有较高的强度和电导率，Cu-Ni-Si合金被广泛用于电子触点领域。低温轧制可通过抑制动态回复并引入变形孪晶，有效提升合金强度，同时仅导致电导率略有下降。然而，在极端低温应力作用下的微观结构稳定性极限仍不明确。尤其是，在室温轧制过程中形成的应变硬化行为是否能够延伸到极大幅
摘要
由于具有较高的强度和电导率，Cu-Ni-Si合金被广泛用于电子触点领域。低温轧制可通过抑制动态回复并引入变形孪晶，有效提升合金强度，同时仅导致电导率略有下降。然而，在极端低温应力作用下的微观结构稳定性极限仍不明确。尤其是，在室温轧制过程中形成的应变硬化行为是否能够延伸到极大幅度变形的低温加工场景中，目前尚无定论。为揭示严重应变导致性能下降的机制，本研究选取商用C70250 Cu-Ni-Si合金，对其进行了高达90%厚度缩减的低温轧制及室温轧制处理。通过高能同步辐射X射线衍射、电子背散射衍射和透射电子显微镜等技术，分析了该合金的微观结构演变与析出行为。经过80%低温轧制并时效处理的样品表现出最佳性能：抗拉强度达831 MPa，伸长率为11.1%，电导率为国际退火铜标准的42.6%。而当厚度缩减比例达到90%时，低温轧制后的样品会出现异常软化现象。这种性能下降是由于孪晶引发的不连续动态再结晶作用，该过程会降低储存的能量，并削弱缺陷辅助的析出作用。因此，时效处理过程中会形成粗大的析出物，使得合金强度显著下降至668 MPa。相比之下，室温轧制后的样品则以动态回复和连续动态再结晶为主，其微观结构更为稳定，析出分布也更为均匀。这些研究结果揭示了严重应变诱发软化的机制，同时也强调了在低温加工过程中需要平衡再结晶与析出作用。
引言
现代电子技术、高速铁路以及电力传输系统的快速发展，对兼具高强度和高电导率的铜基触点材料提出了更高要求[1]、[2]、[3]、[4]。相较于有毒的Cu-Be合金，Cu-Ni-Si合金因其机械强度、电导率与工业加工性的良好平衡，被视为理想的无铅替代材料[5]、[6]、[7]。然而，传统的时效处理方法受到析出强化与电子散射之间固有矛盾的限制，难以在不牺牲电导率的前提下进一步提升合金强度[8]、[9]、[10]。通过先进行严重塑性变形再配合时效处理，可有效克服这一难题。这种方法既能引入高密度的位错以实现显著的加工硬化效果，又能加速溶质沿缺陷通道的扩散，从而加快后续时效过程中的析出速率。
在各种严重塑性变形工艺中，低温轧制因其可与传统板材加工工艺相结合，同时还能显著改变缺陷存储行为，因而极具优势。较低的变形温度会限制位错的移动，从而抑制动态回复现象。这样的极端变形环境能够保留通常在室温变形过程中会消失的高密度位错网络[11]、[12]、[13]、[14]。此外，低温条件下堆垛层错能的降低会促进变形孪晶的形成，进而形成密集的孪晶界和位错网络，这些结构既有助于提升合金强度，又能保持相对较低的溶质散射效应[15]、[16]、[17]。
大量研究表明，低温轧制是全面提升铜合金力学性能的有效手段。例如，Xin等人[18]通过低温轧制将一种Cu-0.4Cr-0.39Zn-0.1Mg-0.07Zr合金的厚度缩减至95.5%，并在其中形成了密集的孪晶网络，使得该合金的屈服强度提升至620 MPa，电导率为国际退火铜标准的75.3%。另外，Liao等人[19]在经过99%累计变形的低温轧制Cu-Ni-Si合金中观察到，低温环境能够有效促进并保留晶内缺陷。超细晶粒与极高位错密度的协同作用，使得该合金的屈服强度高达851 MPa，电导率为国际退火铜标准的42.4%。许多现有研究都强调了增加轧制变形量所带来的强化效果，而原本为室温轧制开发的加工工艺也常被应用于极高变形量的低温轧制过程[10]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]。不过，金属晶格储存变形能量的能力是有限的[26]。一旦储存的能量超过临界值，即便在变形过程中也可能会触发缺陷重排、回复或再结晶现象，从而导致应变软化而非进一步强化。虽然高温或室温变形过程中的应变软化现象通常与动态回复和再结晶有关（如铜[27]、镁[28]、钛[29]和锌[30]），但这些受热驱动的机制无法直接应用于低温变形过程，因为在低温环境下动态回复会被强烈抑制，而孪晶作用则会变得更加活跃。因此，目前尚不清楚低温轧制形成的以孪晶为主的缺陷结构在极端应变作用下是会继续增强合金性能，还是会成为导致微观结构不稳定的因素。
更重要的是，对于依赖析出强化的Cu-Ni-Si合金而言，严重变形过程中形成的缺陷结构会显著影响后续的时效响应[31]。在极端低温变形过程中积累的超高缺陷密度和局部畸变能，会深刻改变后续的时效动力学过程[32]、[33]。位错、亚晶界以及孪晶界可作为异质形核场所，为Ni-Si元素的聚集与析出提供快速扩散路径。如果这些储存的缺陷过早因回复或再结晶而被消除，析出物的形核密度可能会下降，进而出现异常粗化现象[34]、[35]。目前尚未有系统的研究阐明低温轧制从有益的缺陷存储状态转变为有害的再结晶驱动的时效劣化状态的临界转变点。
鉴于上述知识缺口，本研究旨在明确商用Cu-Ni-Si合金在低温轧制过程中的微观结构稳定性极限，并分析这一极限如何影响后续的时效响应。为此，本研究开展了对比实验，分别研究了高达90%厚度缩减的低温轧制与室温轧制工艺。通过高能同步辐射X射线衍射、高分辨率电子背散射衍射和透射电子显微镜等多尺度表征技术，我们追踪了从稳定强化阶段到过度轧制软化阶段的组织结构、位错密度、孪晶结构、局部错位情况以及析出行为的演变规律。此外，我们还系统研究了极端预应变如何导致室温轧制与低温轧制过程中不同的软化路径，并分析其对后续时效析出行为的影响。这些研究结果为确定低温加工过程中的过度轧制极限，以及优化高性能析出强化铜合金的变形-时效加工工艺提供了理论依据。
章节节选
原材料
本研究以初始厚度约为7毫米的商用热轧Cu-Ni-Si合金板作为起始材料。为去除热加工痕迹并获得均匀的过饱和固溶体，将该样品置于850℃环境中保温1.5小时，随后立即水淬。如补充图S1所示，通过EBSD技术对初始微观结构进行的分析表明，该固溶体样品由均匀的重结晶等轴晶粒组成，平均晶粒尺寸约为
室温轧制与低温轧制过程中力学性能与电导率的变化
图2(a、b、d)展示了室温轧制样品与低温轧制样品的力学性能及电导率随变形量从0%增加到90%时的变化规律。这些结果清晰地显示出了从应变硬化到过度轧制诱导软化的转变过程。在变形量从0%增加到80%的过程中，两种类型的样品的硬度与强度均持续上升，这表明此时应变硬化效应占据主导地位。其中，低温轧制后的样品表现出更高的硬化效率
CRed型Cu-Ni-Si合金的强化机制
CRed型样品在80%变形量范围内仍能保持较高的强度，这得益于其高效的缺陷存储能力，包括较高的位错密度以及密集的变形孪晶界。与室温轧制相比，液氮温度下的变形过程能够抑制由热量驱动的位错消除现象，从而减少轧制过程中的动态回复。更为重要的是，低温变形还会降低堆垛层错能，进而促进平面滑移、堆垛层错的形成以及变形孪晶的生成。扩大的堆垛层错间距
结论
本研究分析了商用Cu-Ni-Si合金在从常规变形程度到极端变形程度下，经过低温轧制与室温轧制处理后的微观结构演变规律。研究阐明了应变诱导软化机制及其对合金时效行为的影响。主要结论如下：
- 1.
经过最佳时效处理后的CR80样品实现了性能的最佳平衡，其抗拉强度达831 MPa，伸长率为11.1%，电导率为国际退火铜标准的42.6%。一旦超过这一性能极限
作者贡献说明
刘世源：实验研究工作。赵建城：数据整理工作。李学健：项目管理工作。杨军杰：概念构思工作。甘伟民：软件分析工作。胡晓石：课题指导工作。王小军：实验方法设计工作。徐志辉：论文撰写——初稿编写、结果验证与正式分析工作。史海龙：论文撰写——审稿与修改工作
利益冲突声明
? 作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了以下项目的支持：中国国家重点研发计划（编号：2025）、政府间创新合作计划[项目编号：2025YFE0105600]、先进材料-国家科技重大专项（编号：2025ZD0619700）、中国国家自然科学基金“叶企孙”科学基金重点支持项目（编号：U2441260），以及“中国国家自然科学基金”（项目编号分别为52301142、52371107和52125505）。
Zihui Xu|Hailong Shi|Shiyuan Liu|Jiancheng Zhao|Xuejian Li|Junjie Yang|Weimin Gan|Xiaoshi Hu|Xiaojun Wang
哈尔滨工业大学精密热成形重点实验室，中国黑龙江省哈尔滨市150001
